劉志永，藺哲淵

（山西焦煤西山煤電集團設計院（有限公司），山西 太原 030024）

據(jù)統(tǒng)計山西省矸石山堆存量占全國總量的三分之一，大多數(shù)矸石山在堆置過程中采取的防止自燃措施不夠或沒有采取措施。矸石場長期裸露堆放，發(fā)熱速度大于散熱速度，造成熱量積聚，最終導致自燃。在此過程中矸石山排放出CO、SO2、H2S 和NO2等有害氣體，同時伴生大量煙塵。降雨后，矸石山雨水下滲，產(chǎn)生大量淋溶液，進入地下水，對當?shù)厮Y源及土壤等生態(tài)環(huán)境造成極大的影響[1]。在環(huán)保和安全并重的新形勢下，對煤礦矸石山進行綜合治理，可以從根本上杜絕矸石堆放后期發(fā)生自燃和淋濾作用對大氣環(huán)境、地下水資源和土壤的污染。

1 礦井概況

正利煤業(yè)生產(chǎn)能力2 000 kt/a，主要可采煤層為4-1號煤、4 號煤、7 號煤和9 號煤，均位于石炭系上統(tǒng)太原組，地層傾角為4°～10°。井田位于山西省呂梁山脈蘆芽山南部丘陵區(qū)，屬典型黃土梁峁地貌。地勢南高北低，最低海拔1 148.2 m（嵐河河谷），最高海拔1 354.2 m（井田西南角），一般標高+1 200～+1 300 m。井田中部的嵐河屬黃河流域汾河水系。汾河源于寧武管涔山，由東寨經(jīng)靜樂向南，在本井田東南注入汾河水庫。

2 矸石山選址

原矸石山堆置區(qū)位于嵐河南側(cè)溝道，整體為自南向北產(chǎn)生匯水的季節(jié)性溝谷，與嵐河河谷之間有地表分水嶺相隔，最小直線距離約500 m，沿溝谷匯入嵐河，長度約2.0 km，匯入汾河水庫水源地一、二級保護區(qū)距離分別為12.5 km、4.7 km。

由于原矸石山堆置區(qū)臨近匯水的季節(jié)性溝谷，該匯水流入嵐河，并最終匯入汾河，影響嵐河、汾河水庫水源地水質(zhì)，造成水資源和土壤的污染，故需要重新選擇矸石山堆置區(qū)。

經(jīng)過對礦區(qū)周邊環(huán)境分析，擬選矸石山堆置區(qū)位于正利煤業(yè)工業(yè)場地西南側(cè)2.5 km 處王家溝、陳家渠溝內(nèi)。該場區(qū)長約3 942 m，溝寬20～200 m，深10～100 m，總占地約25.6 公頃，容積355 萬m3。

正利煤業(yè)排矸量約389.6 kt/a，占地規(guī)模按三年考慮將堆置1 170 kt，封場標高為1 246 m；考慮對現(xiàn)有土地資源充分利用，可服務年限為12.4年，將堆置4 828 kt，封場標高為1 295 m。矸石山局部（1216 平臺及1256 平臺）地形見圖1。

圖1 矸石山1216 平臺及1256 平臺地形

3 矸石山綜合治理總體方案

3.1 原矸石山堆置方式分析

正利煤業(yè)原矸石山主要采用分層自然堆置的方式，對矸石進行包被覆蓋，并對其表層進行綠化。盡管該種堆置方式是目前煤礦最常采用的方法，但是經(jīng)過近些年的實際應用，出現(xiàn)一系列問題[2]。

（1）由于采用自然堆置的方式，則矸石會從高處發(fā)生滾落，并且大小粒徑不同的矸石就會在此過程當中發(fā)生自然分選的現(xiàn)象，其中粒徑較小的矸石會留在矸石山上層，而粒徑相對較大的矸石則會滾落到其下層。這就出現(xiàn)了矸石級配差現(xiàn)象，從而導致矸石之間空隙發(fā)育豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計，其孔隙率可達18%～31%。

（2）松散矸石長期堆置時，其包被覆蓋層會隨矸石滾落、矸石山下沉而出現(xiàn)下滑，使得矸石再次暴露在空氣當中，形成煙囪效應，此時矸石山具有再次復燃的安全隱患。

（3）松散矸石長期堆置時，隨著矸石滾落以及矸石山下沉，矸石山每一級馬道截排水系統(tǒng)和擋墻等剛性構(gòu)筑物將會出現(xiàn)堵塞甚至被破壞，如遇降水量較大等情況，隨著大量地表水的侵入，松散裸露的矸石山將會造成水資源和土壤的污染，并且矸石山還具有嚴重下沉甚至形成泥石流的安全隱患[3]。

3.2 矸石綜合治理總體方案

以往矸石山不合理治理方案導致了自燃、下沉、泥石流等現(xiàn)象，前期自然堆填方法不科學及后期維護措施不利，導致投入大量人力、物力、財力，用于矸石山自燃、污水和泥石流等災害治理，因此需要制定出一套科學合理的矸石山綜合治理方案。

采用表層噴漿和深部土矸攪拌壓密方案，防治矸石山堆放后期產(chǎn)生自燃，在表層覆土綠化，以此還原、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。將被動治理方案轉(zhuǎn)變?yōu)轫肥蕉阎眠^程中的主動綜合治理方案，采取綜合措施從源頭上避免影響矸石山治理不利因素的出現(xiàn)，并在后期加強對矸石山治理的定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)治理問題、消除安全隱患，達到保證煤礦矸石山安全無隱患、綠色無污染的目的。

3.3 矸石堆置方案

（1）頭道壩及第一級平臺堆置

依據(jù)地形及地界資料，排矸場區(qū)設計攔矸壩頂標高+1 216 m，在壩體后部由里向外分層堆置矸石層、黃土層、土矸攪拌層、噴漿封閉、黃土碾壓以及熟土覆蓋等至+1 216 m 標高處。煤矸石進行碾壓堆置，壓實系數(shù)≥0.90，每碾壓堆填厚度4.5 m，覆蓋黃土0.5 m，壓實系數(shù)≥0.93，以防止矸石山自燃隱患。堆填工程尾聲，按設計進行土矸攪拌及噴漿封閉，用以生態(tài)恢復，形成第一級平臺。

圖2 矸石山治理后坡面

（2）構(gòu)筑后續(xù)臺階

從擋墻位置向后退5.0 m，形成第一級馬道，并以此為第二級平臺的坡腳，由溝底向外按設計繼續(xù)堆放，第二級及后續(xù)平臺堆填高度為5.0 m，馬道寬度為3.0 m，邊坡坡度為1:1.5。依上述方式逐次修筑各級平臺，形成階梯狀坡面，邊坡坡體應安全穩(wěn)定，并采用柔性護坡、生態(tài)治理方案，以有效應對不均勻沉降，防止雨水沖刷。矸石山治理后坡面見圖2。

按長期運營考慮，場地封場標高為+1295 m，最終形成1295 大平臺，平臺面積196 200 m2，約合295 畝。全場共計15 階護坡，4 個平臺（1216 平臺、1256 平臺、1280 平臺、1295 平臺），13 條馬道。各平臺沿周邊布置排水溝，通過每階護坡、平臺及初級壩邊引向壩前消能池，消能池可以減少匯水對下游溝道的沖刷，長寬均為10 m，深度為1.5 m；頂部平臺外側(cè)及每階護坡腳邊橫向排水溝引向縱向排水溝。

（3）土矸攪拌及噴漿封閉

堆填工程尾聲，在設計坡面線垂直向內(nèi)3 m 范圍內(nèi)采用土矸攪拌土矸體積比例3∶7 進行堆填，并在形成的矸石坡面采用粉煤灰或黃土、水泥按體積比例為2∶1 進行充分混合，再將混合物與水攪拌制成濃度為15%～20%的惰性噴漿材料進行噴射封閉，現(xiàn)場以粉煤灰漿液不再下滲為準，達到充填表層孔隙、阻隔空氣的效果。完成后在馬道及坡面覆蓋0.5 m 厚黃土，輾壓覆蓋，形成對整個矸石山的包被，之后在覆土包被上覆蓋0.3 m 厚熟土，用以生態(tài)恢復[4]。

3.4 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)是由平臺截水、馬道柔性排水（橫向排水溝）、坡面剛性排水（急流槽）構(gòu)成的立體排水系統(tǒng)。馬道柔性排水溝見圖3。

圖3 馬道柔性排水溝

坡面剛性排水溝見圖4。

圖4 坡面剛性排水溝

3.5 監(jiān)測系統(tǒng)

將正利煤業(yè)矸石山治理區(qū)邊界范圍作為本次監(jiān)測網(wǎng)布置范圍，主要包括邊坡監(jiān)測、支擋工程監(jiān)測、排水工程監(jiān)測等方面。由于矸石區(qū)地形條件相對簡單，通視條件較好。觀測點上水平位移的觀測，采用三方向交會的測角前方交會法、測距導線法、兩方向的測角測邊兩測線交點法以及測線支距法。由于不穩(wěn)定斜坡區(qū)高差較大，沉降量的觀測采用幾何水準測量方法工作量太大，故沉降量觀測采用電磁波測距三角高程測量的方法確定[5]。

4 工程效果分析

2018年8月份，正利煤業(yè)矸石山綜合治理工程完工后，對其開始進行監(jiān)測。到2020年1月為止，監(jiān)測結(jié)果顯示矸石山治理工程平臺及坡面完好未被破壞，矸石山未發(fā)生自燃現(xiàn)象。矸石山4 個平臺豎直方向2018年8月與2020年1月高差對比情況見表1。

表1 治理前后矸石山四個平臺豎直方向沉降量對比情況

5 結(jié)語

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示治理前后矸石山四個平臺沉降量基本穩(wěn)定在0.2 m 左右，表明該此煤礦矸石山綜合治理工程項目取得良好的技術(shù)效果，有效地解決了矸石山堆置對土壤、地表水和地下水的污染以及發(fā)生自燃隱患的實際問題。